Пикосекундный ультразвук - Picosecond ultrasonics

Пикосекундный ультразвук это тип ультразвук который использует ультразвук сверхвысокой частоты, генерируемый ультракороткий световые импульсы. Это неразрушающий техника, в которой пикосекунда акустический импульсы проникают в тонкие пленки или же наноструктуры для выявления внутренних особенностей, таких как толщина пленки, а также трещины, отслоения и пустоты. Его также можно использовать для зондирования жидкости. Этот метод также называют пикосекундный лазерный ультразвук или же лазерная пикосекундная акустика.

Вступление

Генерация и регистрация пикосекундных импульсов деформации в непрозрачной тонкой пленке ультракороткими оптическими импульсами. В этом примере оптический пробный импульс достигает поверхности пленки одновременно с возвращающимся импульсом деформации. Как правило, измерения производятся путем изменения время прибытия оптического зондирующего импульса. Тепловое расширение поверхности не учитывается. Например, в случае алюминиевой пленки импульс деформации будет иметь типичную частоту и полосу пропускания ~ 100 ГГц, длительность ~ 10 пс, длину волны ~ 100 нм и амплитуду деформации ~ 10−4 при использовании оптических импульсов длительностью ~ 100 фс и энергией ~ 1 нДж, сфокусированных в пятно ~ 50 мкм на поверхности образца.

Когда ультракороткий световой импульс, известный как насос импульс, фокусируется на тонкую непрозрачную пленку на подложке, оптическое поглощение приводит к тепловое расширение это запускает эластичный импульс деформации. Этот напряжение пульс в основном состоит из продольный акустический фононы которые распространяются прямо в пленку как последовательный пульс.

После акустического отражения от границы раздела пленка-подложка импульс деформации возвращается на поверхность пленки, где он может быть обнаружен оптическим устройством с задержкой. зонд импульс через изменение оптического отражения или (для достаточно тонких пленок) пропускания. Этот решенный во времени метод генерации и фотоупругий обнаружение когерентных пикосекундных импульсов акустических фононов было предложено Кристианом Томсеном и его коллегами в сотрудничестве с Брауновский университет и Bell Laboratories в 1984 г.[1]

Первоначальная разработка проходила в Хамфри Марис Группа в Университете Брауна и других местах в конце 1980-х.[2][3]В начале 1990-х годов метод был расширен на Nippon Steel Corp. путем прямого измерения пикосекундных колебаний поверхности пленки, вызванных возвращающимися импульсами деформации, что во многих случаях приводит к повышению чувствительности обнаружения.[4] Достижения после 2000 г. включают создание пикосекундных акустических солитонов за счет использования миллиметровых расстояний распространения.[5] и генерация пикосекундных срезать волны с помощью анизотропный материалы[6] или небольшие (~ 1 мкм) размеры оптического пятна.[7] Акустические частоты до терагерцового диапазона в твердых телах[8][9] и до ~ 10 ГГц в жидкостях[10] не поступало.

Помимо теплового расширения, генерация за счет потенциала деформации или пьезоэлектричество возможно. Пикосекундный ультразвук в настоящее время используется в качестве метрологического метода тонких пленок для зондирования пленок субмикрометровой толщины с нанометровым разрешением по глубине, что находит широкое применение в полупроводник перерабатывающая промышленность.

Генерация и обнаружение

Поколение

Поглощение падающего импульса оптической накачки создает локальную тепловую стресс у поверхности образца. Это напряжение запускает импульс упругой деформации, который распространяется в образец. Точная глубина возникновения напряжения зависит, в частности, от материала и длины волны оптической накачки. В металлы и полупроводники, например, в сверхкороткой шкале времени тепловой и перевозчик диффузия имеет тенденцию увеличивать глубину, которая первоначально нагревается в течение первых ~ 1 пс.[2][11][12][13]

Акустические импульсы генерируются с временной продолжительностью, приблизительно равной времени прохождения звука через эту первоначально нагретую глубину, как правило, большей, чем глубина оптического поглощения. Например, глубина оптического поглощения в Al и GaAs составляет ~ 10 нм для синего света, а глубина диффузии электронов составляет ~ 50 и 100 нм соответственно. Глубина диффузии определяет пространственную протяженность импульса деформации в направлении по толщине.

Основным механизмом генерации для металлов является тепловое расширение, тогда как для полупроводников это часто механизм потенциала деформации. В пьезоэлектрических материалах обратный пьезоэлектрический эффект, возникающий из-за образования внутренних электрические поля индуцированный обвинять разделение, может доминировать.

Когда диаметр оптического пятна D, Например D~ 10 мкм, на поверхности упруго изотропный и плоский образец намного больше, чем первоначально нагретая глубина, акустическое поле, распространяющееся в твердое тело, можно аппроксимировать одномерной задачей, при условии, что не работают со слишком большими глубинами распространения деформации (~D² / Λ =Длина Рэлея, где Λ - длина акустической волны). В этой конфигурации, первоначально предложенной для пикосекундного ультразвука, необходимо учитывать только импульсы продольной акустической деформации. Импульс деформации формирует блинчатую область продольной деформации, которая распространяется непосредственно в твердое тело от поверхности.

Для небольших размеров пятна, приближающегося к оптическому дифракция предел, например D~ 1 мкм, возможно, потребуется учитывать трехмерный характер проблемы. В этом случае преобразование акустических мод на поверхностях и границах раздела и акустическая дифракция[14] играют важную роль, приводя к вовлечению как сдвиговой, так и продольной поляризации. Импульс деформации разделяется на разные поляризационные составляющие и распространяется по горизонтали (на расстояниях>D² / Λ) по мере того, как он распространяется вниз в образец, что приводит к более сложному трехмерному распределению деформации.

Использование как сдвиговых, так и продольных импульсов выгодно для измерения упругие постоянные или же скорости звука. Сдвиговые волны также могут быть созданы за счет использования упругоанизотропных твердых тел, разрезаемых под косым углом к ​​поверхности. кристалл топоры. Это позволяет генерировать поперечные или квазисдвиговые волны с большой амплитудой в направлении по толщине.

Также возможно генерировать импульсы деформации, форма которых не меняется при распространении. Эти так называемые акустические солитоны были продемонстрированы при низких температурах на расстояниях в несколько миллиметров.[5] Они являются результатом тонкого баланса между акустическими разброс и нелинейный последствия.

Обнаружение

Импульсы деформации, возвращающиеся на поверхность из скрытых границ раздела или других подповерхностных акустически неоднородных областей, обнаруживаются как серия эхо-сигналов. Например, импульсы деформации, распространяющиеся вперед и назад через тонкую пленку, создают затухающую серию эхо-сигналов, из которых можно получить, в частности, толщину пленки, ультразвуковое затухание или ультразвуковая дисперсия.

Первоначальный механизм обнаружения, используемый в пикосекундном ультразвуке, основан на фотоупругом эффекте. В показатель преломления и коэффициент экстинкции вблизи поверхности твердого тела возмущаются возвращающимися импульсами деформации (в пределах глубины оптического поглощения зондирующего света), что приводит к изменениям в оптической отражательной способности или пропускании. Измеренная временная форма эхо-сигнала является результатом пространственного интеграла, включающего как профиль оптического поглощения зондирующего света, так и пространственный профиль импульса деформации (см. Ниже).

Обнаружение смещения поверхности также возможно при регистрации изменения оптической фазы. В этом случае форма эхо-сигнала при измерении через изменение оптической фазы пропорциональна пространственному интегралу распределения деформации (см. Ниже). Обнаружение смещения поверхности было продемонстрировано с помощью сверхбыстрого отклонения оптического луча и интерферометрия.[15][16]

Для однородного изотропного образца в вакууме с нормальным оптическим падением коэффициент отражения оптической амплитуды (р) модуляцию можно выразить как[2][17]

куда (п показатель преломления и κ коэффициент экстинкции) - комплексный показатель преломления зондирующего света в образце, k - волновое число пробного света в вакууме, η(z, т) - пространственно-временное изменение продольной деформации, - фотоупругая постоянная, z - глубина в образце, т время и ты - смещение поверхности образца (в +z направление):

Чтобы получить изменение оптической отражательной способности для интенсивности р один использует , а для получения изменения оптической фазы используется .

Теория оптического детектирования в многослойных образцах, включая движение границы раздела и фотоупругий эффект, в настоящее время хорошо развита.[16][18] Было показано, что управление состоянием поляризации и углом падения зондирующего света полезно для обнаружения поперечных акустических волн.[6][19]

Приложения и будущие задачи

Пикосекундный ультразвук успешно применяется для анализа различных материалов, как твердых, так и жидких. Он все чаще применяется к наноструктурам, включая субмикрометровые пленки, многослойные, квантовые ямы, полупроводник гетероструктуры и нано-полости. Он также применяется для исследования механических свойств отдельной биологической клетки.[20][21]

Смотрите также

Рекомендации

  1. ^ Thomsen, C .; Strait, J .; Вардены, З .; Maris, H.J .; Tauc, J .; Хаузер, Дж. Дж. (3 сентября 1984 г.). «Генерация и обнаружение когерентных фононов пикосекундными световыми импульсами». Письма с физическими проверками. Американское физическое общество (APS). 53 (10): 989–992. Bibcode:1984ПхРвЛ..53..989Т. Дои:10.1103 / Physrevlett.53.989. ISSN  0031-9007.
  2. ^ а б c Thomsen, C .; Grahn, H.T .; Maris, H.J .; Тауц, Дж. (15 сентября 1986 г.). «Поверхностная генерация и детектирование фононов пикосекундными световыми импульсами» (PDF). Физический обзор B. Американское физическое общество (APS). 34 (6): 4129–4138. Bibcode:1986ПхРвБ..34.4129Т. Дои:10.1103 / Physrevb.34.4129. ISSN  0163-1829. PMID  9940178. Архивировано из оригинал (PDF) 15 февраля 2012 г.
  3. ^ Eesley, Gary L .; Клеменс, Брюс М .; Паддок, Кэролайн А. (23 марта 1987 г.). «Генерация и регистрация пикосекундных акустических импульсов в тонких металлических пленках». Письма по прикладной физике. Издательство AIP. 50 (12): 717–719. Bibcode:1987АпФЛ..50..717Э. Дои:10.1063/1.98077. ISSN  0003-6951.
  4. ^ Wright, O.B .; Кавасима, К. (14 сентября 1992 г.). «Когерентное обнаружение фононов по сверхбыстрым поверхностным колебаниям». Письма с физическими проверками. Американское физическое общество (APS). 69 (11): 1668–1671. Bibcode:1992PhRvL..69.1668W. Дои:10.1103 / Physrevlett.69.1668. ISSN  0031-9007. PMID  10046283.
  5. ^ а б Hao, H.-Y .; Марис, Х. Дж. (18 июля 2001 г.). «Эксперименты с акустическими солитонами в кристаллических телах». Физический обзор B. Американское физическое общество (APS). 64 (6): 064302. Bibcode:2001PhRvB..64f4302H. Дои:10.1103 / Physrevb.64.064302. ISSN  0163-1829.
  6. ^ а б Matsuda, O .; Wright, O.B .; Hurley, D. H .; Гусев, В.Е .; Симидзу, К. (24 августа 2004 г.). «Генерация и обнаружение когерентных сдвиговых фононов с помощью ультракоротких оптических импульсов». Письма с физическими проверками. Американское физическое общество (APS). 93 (9): 095501. Bibcode:2004ПхРвЛ..93и5501М. Дои:10.1103 / Physrevlett.93.095501. HDL:2115/14637. ISSN  0031-9007. PMID  15447110.
  7. ^ Rossignol, C .; Rampnoux, J.M .; Perton, M .; Audoin, B .; Дилхайр, С. (29 апреля 2005 г.). «Генерация и обнаружение сдвиговых акустических волн в металлических субмикрометрических пленках с помощью ультракоротких лазерных импульсов». Письма с физическими проверками. Американское физическое общество (APS). 94 (16): 166106. Bibcode:2005ПхРвЛ..94п6106Р. Дои:10.1103 / Physrevlett.94.166106. ISSN  0031-9007. PMID  15904252.
  8. ^ Паскуаль Винтер, М. Ф .; Rozas, G .; Файнштейн, А .; Jusserand, B .; Perrin, B .; Huynh, A .; Vaccaro, P.O .; Сараванан, С. (28 июня 2007 г.). «Селективная оптическая генерация когерентных акустических мод нанорезонатора». Письма с физическими проверками. Американское физическое общество (APS). 98 (26): 265501. Bibcode:2007PhRvL..98z5501P. Дои:10.1103 / Physrevlett.98.265501. ISSN  0031-9007. PMID  17678102.
  9. ^ Сунь, Чи-Куанг; Лян, Цзянь-Чин; Юй Сян-Ян (3 января 2000 г.). «Когерентные колебания акустических фононов в полупроводниковых множественных квантовых ямах с пьезоэлектрическими полями». Письма с физическими проверками. Американское физическое общество (APS). 84 (1): 179–182. Bibcode:2000ПхРвЛ..84..179С. Дои:10.1103 / Physrevlett.84.179. ISSN  0031-9007. PMID  11015864.
  10. ^ Wright, O.B .; Perrin, B .; Matsuda, O .; Гусев, В. Е. (25 июля 2008 г.). «Оптическое возбуждение и детектирование пикосекундных акустических импульсов в жидкой ртути». Физический обзор B. Американское физическое общество (APS). 78 (2): 024303. Bibcode:2008PhRvB..78b4303W. Дои:10.1103 / Physrevb.78.024303. ISSN  1098-0121.
  11. ^ Райт, О. Б. (1 марта 1994 г.). «Сверхбыстрая генерация неравновесных напряжений в золоте и серебре». Физический обзор B. Американское физическое общество (APS). 49 (14): 9985–9988. Bibcode:1994PhRvB..49.9985W. Дои:10.1103 / Physrevb.49.9985. ISSN  0163-1829. PMID  10009806.
  12. ^ Тас, Гурай; Марис, Хамфри Дж. (1 мая 1994 г.). «Диффузия электронов в металлах изучается пикосекундным ультразвуком». Физический обзор B. Американское физическое общество (APS). 49 (21): 15046–15054. Bibcode:1994ПхРвБ..4915046Т. Дои:10.1103 / Physrevb.49.15046. ISSN  0163-1829. PMID  10010610.
  13. ^ Wright, O.B .; Perrin, B .; Matsuda, O .; Гусев, В. Е. (2 августа 2001 г.). «Сверхбыстрая диффузия носителей заряда в арсениде галлия, исследованная пикосекундными акустическими импульсами». Физический обзор B. Американское физическое общество (APS). 64 (8): 081202 (R). Bibcode:2001ПхРвБ..64х1202В. Дои:10.1103 / Physrevb.64.081202. HDL:2115/5797. ISSN  0163-1829.
  14. ^ Пикосекундный ультразвук
  15. ^ Тачизаки, Такехиро; Муроя, Тошихиро; Мацуда, Осаму; Сугавара, Йошихиро; Херли, Дэвид Х .; Райт, Оливер Б. (2006). «Сканирующая сверхбыстрая интерферометрия Саньяка для визуализации распространения двумерных поверхностных волн». Обзор научных инструментов. Издательство AIP. 77 (4): 043713–043713–12. Bibcode:2006RScI ... 77d3713T. Дои:10.1063/1.2194518. HDL:2115/9100. ISSN  0034-6748.
  16. ^ а б Б. Перрин, Б. Бонелло, Дж. К. Жаннет и Э. Роматет, "Интерферометрическое обнаружение гиперзвуковых волн в модулированных структурах", Prog. Nat. Sci. Дополнение 6, S444 (1996).
  17. ^ Гусев В.Е. Акуст. Acta. Acust. 82, S37 (1996).]
  18. ^ Matsuda, O .; Райт, О. Б. (2 декабря 2002 г.). «Отражение и прохождение света в многослойных слоях, возмущенных распространением пикосекундного импульса деформации». Журнал Оптического общества Америки B. Оптическое общество. 19 (12): 3028. Bibcode:2002JOSAB..19.3028M. Дои:10.1364 / josab.19.003028. HDL:2115/44497. ISSN  0740-3224.
  19. ^ Mounier, D .; Морозов, Э .; Ruello, P .; Breteau, J.-M .; Picart, P .; Гусев, В. (2008). «Обнаружение сдвиговых пикосекундных акустических импульсов с помощью нестационарной фемтосекундной поляриметрии». Специальные темы Европейского физического журнала. ООО "Спрингер Сайенс энд Бизнес Медиа". 153 (1): 243–246. Bibcode:2008EPJST.153..243M. Дои:10.1140 / epjst / e2008-00436-2. ISSN  1951-6355.
  20. ^ Rossignol, C .; Чигарев, Н .; Ducousso, M .; Audoin, B .; Забудьте, G .; Guillemot, F .; Дурье, М. К. (22 сентября 2008 г.). «Пикосекундный ультразвук in vitro в одной ячейке». Письма по прикладной физике. Издательство AIP. 93 (12): 123901. Bibcode:2008АпФЛ..93л3901Р. Дои:10.1063/1.2988470. ISSN  0003-6951.
  21. ^ Дюкуссо, Матьё; Эль-Фарук Зуани, Омар; Шансо, Кристель; Шолле, Селин; Россиньоль, Клеман; Одоин, Бертран; Дюрье, Мари-Кристин (2013). «Оценка механических свойств фиксированных костных клеток субмикрометровой толщины с помощью пикосекундного ультразвука». Европейский физический журнал прикладной физики. EDP ​​Sciences. 61 (1): 11201. Bibcode:2013EPJAP..6111201D. Дои:10.1051 / epjap / 2012120279. ISSN  1286-0042.

внешняя ссылка